Zur Bedeutung von TIGO zur Bestimmung des ITRF, der EOP, EUREF und GREF

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1 Zur Bedeutung von TIGO zur Bestimmung des ITRF, der EOP, EUREF und GREF Dr. Hayo Hase Einleitung In jüngerer Zeit wird in Deutschland und in Chile die Frage gestellt, mit welchen Konsequenzen bei einer möglichen Einstellung des TIGO-Projekts zu rechnen sei. Da TIGO zur Verbesserung des globalen Bezugssystems und zum Einsatz auf der südlichen Erdhemisphäre entwickelt wurde, ist bei einer Betriebseinstellung von einer Verschlechterung auszugehen. Um den Gewinn durch TIGO in Concepción zu quantifizieren, wurden vor Beginn des Projekts simulative Abschätzungen nach der Volumen- und Flächenapproximationsmethode vorgenommen. Diese Abschätzungen basieren darauf, wieviel repräsentatives Erdvolumen bzw. Erdoberfläche durch die Anzahl der verfügbaren existierenden Fundamentalstationen erfasst wird. Heute, nach 8 Jahren Produktion von Beobachtungsdaten, lassen sich Simulationen durch konkrete Neuberechnungen mit und ohne Berücksichtigung von TIGO-Daten durchführen und der Gewinn (mit TIGO) dem Verlust (ohne TIGO) gegenüberstellen. Diese Berechnungen können technikspezifisch (VLBI, SLR, GNSS) durchgeführt werden und darauf aufbauend später mit der ITRF-Berechnung des IERS wiederholt werden. Dieser Beitrag präsentiert Aussagen zu den Diensten IVS und ILRS, da TIGO wegen seiner isolierten geographischen Lage für diese Dienste von herausragender Bedeutung ist. Diese Ergebnisse werden nachfolgend dargestellt und in ihren Auswirkungen auf das ITRF und der EOP quantifiziert. Aufgrund der hierarchischen Struktur der geodätischen Bezugssysteme, in der das kontinentale Bezugssystem EUREF in den übergeordneten ITRF Rahmen eingehängt ist, werden sich Fehlervergrößerungen/-verkleinerungen im ITRF gemäß der Fehlerfortpflanzung auswirken. Analoges gilt für das GREF, welches in das übergeordnete EUREF eingehängt ist. 1/8

2 Bedeutung von TIGO-VLBI für den IVS Um zu einer quantitativen Bedeutung von TIGO für den IVS zu gelangen, wurden von Zinovy Malkin, Observatorium Pulkovo, 3 VLBI-Sessionen der Rapid Service Programme R1 und R4 ausgewählt und mit bzw. ohne TIGO prozessiert. Aufgrund der bedeutsamen Lage in der südlichen Hemisphäre konnte durch TIGO ein wesentlich höheres Genauigkeitsniveau in den Bestimmungen der Erdrotationsparameter erreicht werden. Die Fehler der Erdrotationsparameter werden zweibis dreimal größer, wenn TIGO Daten nicht zur Verfügung stehen (s. Tab. 1). Mittlerer Fehler mit TIGO ohne TIGO Quotient ohne/mit TIGO Größter Fehler mit TIGO ohne TIGO Quotient ohne/mit TIGO mittlerer Fehler in EOP Anzahl der mittl. Anz. proz. Beob. pro Session Xp Yp UT1 Xc Yc µas µas µs µas µas , , ,91,9 2,7 1,88 1,55 1,8 1,9 größter Fehler in EOP Anzahl der mittl. Anz. proz. Beob. pro Session Xp Yp UT1 Xc Yc µas µas µs µas µas , , ,91,9 2,95 4,12 2,5 1,8 1,35 Tab. 1: Stehen TIGO-Beobachtungsdaten nicht zur Verfügung, erhöhen sich die Fehler in der Bestimmung der Erdrotationsparameter um einen Faktor 2 bis 3. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Korrelation zwischen den Erdrotationsparametern. Mit den vorstehend genannten Ausgangsdaten ergeben sich die in Tab. 2 angegebenen Korrelationsparameter. Ohne TIGO nehmen die Korrelationen ebenfalls deutlich höhere Werte an; d.h. die modellmässige Trennung der fünf Erdrotationsparameter wird um einen Faktor 2-3 unschärfer. Mittlere Korrelation mit TIGO ohne TIGO Quotient ohne/mit TIGO mittlere Korrelation Anzahl der mittl. Anz. proz. Beob. pro Session Xp/Yp Xp/UT1 Yp/UT1 Xc/Yc ,144 -,452 -,519, ,276,177 -,1427 -,345,91,9-1,92-3,78 2,75-2,23 Tab. 2: Die modellmäßige Trennung der fünf Erdrotationsparameter wird um den Faktor 2-3 schlechter, wenn TIGO keine VLBI-Daten mehr liefern würde. In den Tabellen 1+2 wurden die gleichen Ausgangsdaten benutzt. Die Gesamtzahl der VLBIBeobachtungen geht ohne TIGO nur um etwa 1% zurück. Somit wird kann gesagt werden, dass TIGO nur einen geringen Einfluss auf die Schätzung der Stationskoordinaten hat. Die Bedeutung liegt in dem Gewinn, der für die Erdrotationsparameter durch den entlegenen Standort auf der Südhemisphäre erzielt werden kann. Werden die Erdrotationsparameter durch VLBI weniger genau bestimmt, können die Satellitenbahnen auch nur ungenauer bestimmt werden, da sich Orbitfehler und Erdrotationsfehler aus Satellitenbeobachtungen allein nicht dekorrelieren lassen. 2/8

3 Für den globalen Referenzrahmen bedeutet ein Ausfall von TIGO, dass dieser nur noch halb so genau ist. Die kontinentalen und nationalen Referenzrahmen basieren weitestgehend auf Satellitendaten, die in gleichem Maße indirekt über die schlechteren EOP mit weniger genauen Orbitdaten auskommen müssen und so letztendlich auch nur zwei bis dreimal weniger genau sein können. Diese dramatische Verschlechterung im Falle eines Wegfalls von TIGO bestätigt im Nachhinein die ursprüngliche Idee zur Verbesserung des globalen Referenznetzes mit dem Projekt TIGO einen richtungsweisenden Beitrag aus der südlichen Hemisphäre zu leisten (s. Forschungsprogramm ). Nachfolgend wird die Abhängigkeit der Verschlechterung von zwei verschiedenen Netzkonfigurationen untersucht. Das o.g. Ausgangsmaterial der Daten wurde von Lucia Plank, TU Wien, grafisch aufbereitet. In den wöchentlichen R1 Beobachtungen ist TIGO neben Hobart die einzige Station auf der Südhemisphäre, die regelmäßig teilnimmt (Abb. 1). In den wöchentlichen R4 Beobachtungen ist TIGO an den meisten Beobachtungstagen nur die einzige Südhemisphärenstation, was sich unmittelbar auf einen wesentlich höheren Genauigkeitsgewinn auswirkt. Ein möglicher Wegfall von TIGO würde die Weiterführung der R4 Serie in Frage stellen, da das Beobachtungsmaterial nicht mehr an die Erfordernisse heranreichen würde. Abb. 1: Ausgewählte R1 VLBI-Experimente mit und ohne TIGO. Die Genauigkeitseinbußen liegen zwischen 19% und 68%, was einen signifikanten Verlust für die Produkte des IVS bedeutet. 3/8

4 Abb. 2: Ausgewählte R4 VLBI-Experimente. Aufgrund der anderen Netzwerkkonfiguration ist ein Wegfall von TIGO mit erheblichen höheren Genauigkeitseinbußen (51%-186%) im Vergleich zur R1 Serie (Abb. 1) verbunden. Die R4 Serie würde bei einem dauerhaften Ausfall von TIGO ernsthaft gefährdet. Für das bessere Verständnis des Systems Erde kann auch das Polyeder des Erdvolumen herangezogen werden, welches durch die VLBI-Basislinien aufgespannt wird. Dieser Parameter kann als Güte für die Netzwerkkonfiguration genommen werden und ist geeignet, zukünftige Standorte in einem existierenden geodätischem Netzwerk zu bestimmen. Für die R1 und R4 Beobachtungsserien verringern sich die eingeschlossenen Volumina um mehr als 7% ohne TIGO (Abb. 3+4), womit geophysikalische Phänomene nicht ausreichend global modellierbar sind. Die ungenügende Verteilung der Beobachtungsstationen soll über das Global Geodetic Observing System (GGOS) verbessert werden. Die angestrebte Stationsverteilung soll ein möglichst großes Erdvolumen approximieren, da nur dann eine möglichst homogene Verteilung erreicht wird. Der quantitative Verlust von über 7% in einem VLBI-Netzwerk kann nur durch eine Neugründung in ähnlicher Lage wieder kompensiert werden. 4/8

5 Abb. 3: Approximiertes Erdvolumen in R1 VLBI-Netzwerken. Ohne TIGO werden im Mittel 7% weniger Erdvolumen erfasst. Abb. 4: Approximiertes Erdvolumen in R4 VLBI-Netzwerken. Ohne TIGO werden im Mittel 77% weniger Erdvolumen erfasst. 5/8

6 Bedeutung von TIGO-SLR für den ILRS Ein wesentlicher Grund für einen Standort in der Südhemisphäre war die ungenügende Anzahl von Satellitenbeobachtungen von dort zur genauen Satellitenbahnbestimmung. Von der nördlichen Hemisphäre, wo es Cluster von Beobachtungsstationen gibt, besteht keine Sichtbarkeit zu den Satelliten bei ihren Passagen über den südlichen Breiten. Deshalb werden polnahe Umlaufbahnen nur durch Beobachtungen mit einem globalen Beobachtungsnetzwerk mit gleichmäßiger Stationsverteilung voll erfasst. Durch die großen Wasserflächen in der südlichen Erdhemisphäre gibt es wesentlich weniger geeignete Standorte als in der Landfläche-reichen Nordhemisphäre. An die 4 Beobachtungsstationen im Norden stehen im Süden derzeit in Australien (2), Südafrika (1), Südamerika (3), Pazifische Inseln (1), insgesamt nur 7 Beobachtungsstationen gegenüber. Insofern ist eine mit TIGO gemessene Passage ca. 5-mal soviel wert, wie eine auf der Nordhemisphäre gemessene, da die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Messung mangels Observatorien entsprechend geringer ist. Die Beobachtungsstationen im ILRS unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Datenquantität und Datenqualität. Es gibt Mindestanforderungen des ILRS, die von TIGO-SLR seit der Modernisierung im Jahre 26 deutlich übererfüllt werden. Inzwischen hat sich TIGO-SLR hinsichtlich seiner Datenqualität und Datenquantität zu einem der weltbesten Observatorien entwickelt. Ein Blick auf die erfolgreich gemessenen Satellitendurchgänge von niedrig, mittelhoch und hochfliegenden Satelliten besagt, dass TIGO-SLR an einem ausgezeichneten Standort mit einem gut funktionierendem Gerät operiert. Nachfolgende 3-Monats-Beobachtungsstatistik wurde von ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/reports/slrstatus/slrstatus.txt entnommen. Past Three-Month ILRS Station Status (for through as of 25-Jan-21 11:28) Site Name Sta Borowiec 7811 Changchun 7237 Concepcion 745 Grasse 7845 Graz 7839 Greenbelt 715 Haleakala 7119 Hartebeesthoek 751 Herstmonceux 784 Katzively 1893 Kiev 1824 Koganei 738 Komsomolsk 1868 Lviv 1831 Matera 7941 Mcdonald 78 Monument Peak 711 Mount Stromlo 7825 Papeete 7124 Potsdam 7841 Riga 1884 Riyadh 7832 San Fernando 7824 San Juan 746 Shanghai 7821 Simeiz 1873 Tanegashima 7358 Latest Low LAGEOS High Grand /8

7 Wettzell Yarragadee Zimmerwald Grand total: passes from 31 stations Es ist deutlich erkennbar, dass TIGO-SLR als eine von 31 Stationen in der Leistungsbilanz in den letzten 3 Monaten über 6% der SLR-Daten erzeugt hat und somit überdurchschnittliche gute Ergebnisse erzielt. Aus Ausfall von TIGO würde die Datenquantität im ILRS entsprechend herabsetzen. Die Bedeutung von TIGO-SLR mit Hinblick auf TRF kann anhand von globalen Lösungen der vorhandenen Messstationen ermittelt werden. Für die Festlegung des Ursprungs des ITRF ist eine genaue Kenntnis des Erdmassenzentrums erforderlich. Satelliten bewegen sich auf ihren genähert elliptischen Bahnen um das Erdmassenzentrum. Durch die Bahnvermessung wird indirekt die Lage des Erdmassenzentrums nur so genau erfasst, so genau und so vollständig die Satellitenbahnabschnitte von den verschiedenen Bodenstationen bestimmt werden können. Hierbei spielt der Standort der Bodenstation und die dortigen Betriebsbedingungen (Klima, technische Ausstattung, qualifiziertes Personal, Messbereitschaft 7d/24h?) eine große Rolle. Fallen Netzwerkstationen aus, hat dies den Effekt, dass das Erdmassenzentrum und somit der Ursprung des TRF weniger genau bekannt ist und sich fälschlicherweise aus mathematisch-statistischen Gründen in Richtung derjenigen Stationen verschiebt, von denen global gesehen mehr Messdaten vorliegen. Fällt eine von den zahlreichen Nordhemisphärenstationen aus, wird dies kaum Auswirkungen zeigen. Fällt jedoch eine von den wenigen Südhemiphärenstationen aus, werden durch ungenau bestimmte Orbits auch nur ungenau bestimmte Angaben über das Erdmassenzentrum und so über den Ursprung des TRF folgen. SLR ist für TRF weiterhin für die Festlegung des Massstabs von Bedeutung. Dadurch, dass Zeitintervalle mit Frequenznormalen gemessen werden, wird die sekundäre Einheit "Meter" intrinsisch in die Messung eingeführt. Hierbei sind die Zuverlässigkeit der Frequenznormale und die Stabilität des Messsystems von ausschlaggebender Bedeutung. TIGO-SLR kann auf das eigene Zeit- und Frequenzlabor von TIGO zurückgreifen, welches die Messungen mit dem hochgenauen Picoeventtimer ermöglicht. Diese technisch hochwertige Ausstattung macht TIGO-SLR auch zu einer wichtigen Station im ILRS. Um den Einfluss von Stationen in entlegenen Regionen (z.b. TIGO in Concepción) zu verdeutlichen, hat Erricos Pavlis, NASA-GSFC, Chair der ILRS Analyse Zentren, einige Berechnungen angestellt, um mit dem gegebenen Netzwerk geodätischer Kollokations-Stationen Aussagen für die Realisierung von GGOS treffen zu können. Demnach ist für das Erreichen der Ziele von GGOS eine Vervierfachung von Kollokations-Stationen mit VLBI und SLR erforderlich. NASA-GSFC zählt TIGO-SLR zu einem Kernnetzwerk zur Beobachtung von GNSS-Satelliten, um die Verknüpfung von GNSS-TRF und SLR-TRF vornehmen zu können. Mit der SLR-Beobachtung von 26 GNSS Satelliten können vergleichbare Ergebnisse erzielt werden, wie mit der Beobachtung der Lageos Satelliten. In diesem Kontext bedeutet ein Ausfall von TIGO-SLR ein Genauigkeitsverlust von 36% in der Ursprungsfestlegung und von 5% im der Massstabsfestlegung (Tab. 3). Dieser Rückgang in der Genauigkeit kann nur durch Neugründungen von Observatorien in Südamerika aufgefangen werden. Fällt im pazifischen Raum nicht nur Concepción, sondern auch noch Hawaii aus, erhöhen sich die Fehler um 83% für den Ursprung und um 69% für den Massstab. Mit diesen Werten kann der ILRS seine Produktqualität nicht mehr aufrecht erhalten. In der Simulation wurde auch noch die Station 7/8

8 Tahiti entfernt, womit die Fehlerwerte sich auf 149% (Ursprung) bzw. 112% (Massstab) verdoppeln. Diese Analyse unterstreicht die Notwendigkeit, den Standort TIGO in Concepción für den ILRS zu erhalten. Fehler im Ursprung und Massstab vs. Standard-Netzwerk Fall Ausfall von Station(en) 16 Stationen Referenznetzwerk GGAO Hawaii Tahiti Concepción Süd-Afrika Australia Hawaii & Concepción Hawaii & Concepción &Tahiti Süd-Afrika & Australien 6 NASA-sites 3D-Fehler im Ursprung mm % 2,3 --3,2 4 3,2 41 3,1 34 3,1 36 3,2 4 2,8 22 4,2 83 5, ,2 4 8,1 252 Fehler im Massstab ppb mm %, ,8,51-59,16 1,2-16,18 1,15-5,1,64-5,13,83-32,15,96-21,6, ,2,13-112,15, ,55-3, Tab. 3: Der Ausfall von einzelnen oder mehreren SLR-Stationen bzgl. eines 16 Stationen umfassendes Referenznetzwerk zeigt je nach geographischer Lage unterschiedliche Zunahmen der Ursprungs- bzw. Massstabsfehler im SLR-TRF. Der Ausfall von TIGOSLR in Concepción erhöht den Ursprungsfehler um 36% und den Massstabsfehler um 5% (E. Pavlis). Da ein Ausfall von TIGO-SLR eine nicht kompensierbare Verschlechterung des TRF darstellt, bedeutete dies auch eine Abkehr von den Zielen, die von GGOS erstmals erreicht werden sollen. Die Forderung nach einer jahrzehntelangen Stabilität im Ursprung und im Massstab des TRF würde bei Ausfall von TIGO-SLR verletzt. Zusammenfassung Die Bedeutung von TIGO in Concepción für den terrestrischen Bezugsrahmen (TRF) wurde anhand von VLBI-Daten für den IVS und SLR-Daten für den ILRS und seiner Produkte dargelegt. Der ITRF wird durch den Ursprung, die Erdrotation und den Massstab festgelegt, die aus einer Vielzahl geodätischer Beobachtungen der Internationalen Dienste (IVS, ILRS, IGS, IDS) errechnet werden. VLBI und SLR sind die Schlüsselmethoden, um ein ITRF auf dem heute üblichen Genauigkeitsniveau unterschiedlichen Nutzern zur Verfügung stellen zu können. Jede Verschlechterung der Genauigkeit wirkt sich auf die nachgeordneten kontinentalen und nationalen Referenzrahmen ebenso aus, wie auf die wissenschaftlichen Fragestellung, z.b. bzgl. eines Anstiegs des Meeresspiegels. Sollen stichhaltige Aussagen von den Geodäten hierzu geliefert werden, müsste bei verschlechterten Referenzrahmen in wesentlich längeren Zeiträumen beobachtet werden, um zu gleichwertigen Aussagen kommen zu können. Das Geodätische Observatorium TIGO hat in Concepción einen bedeutenden Standort gefunden. Die vorstehenden Analysen zeigen, dass sich die terrestrischen Bezugsrahmen signifikant bei einem Wegfall von TIGO-Daten verschlechtern werden. Die Lage des Ursprungs wird um 36% ungenauer, die Lage der Rotationsachse und die Drehgeschwindigkeit werden 2-3 mal ungenauer und der Netzmassstab, der in langen Zeiträumen konstant bleiben sollte, wird ebenfalls um 5% verändert. Diese überraschend hohen Werte unterstreichen die Bedeutung von TIGO in der südlichen Hemisphäre und bestätigen die Richtigkeit der Initiative zu diesem Projekt vor 2 Jahren. TIGO sollte langfristig abgesichert werden. 8/8